范雄周， 廉 育， 肖首在， 王俊杰， 廖小平， 劉智才

(1.中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司，福建 三明 365000; 2.三明莆炎高速公路有限責任公司，福建 三明 365000；3.福州大學 環(huán)境與資源學院，福建 福州 350108)

隨著改革開放與國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國公路建設的水平逐步走向世界前列[1]。公路建設作為長間距、大規(guī)模的人造地物，在帶來經(jīng)濟與民生效應的同時，產(chǎn)生的不可逆生態(tài)環(huán)境影響也不可忽視。地形起伏區(qū)的生態(tài)環(huán)境往往更加復雜而脆弱，公路工程的地表擾動會帶來極大的生態(tài)不穩(wěn)定性[2-3]。因此，開展山地公路的生態(tài)影響效應分析有著不可忽視的重要性。

在公路路域生態(tài)質(zhì)量變化領域的探索中，以遙感技術為主體的地球空間信息技術的優(yōu)勢是傳統(tǒng)定性分析及粗放的計量方式難以比擬的[4]。近年來運用遙感技術進行高速公路生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測與評價的研究手段與思路不斷涌現(xiàn)[5-7]，學者們利用多源遙感數(shù)據(jù)從針對單個生態(tài)因子到路域綜合生態(tài)評價都開展了不少研究[8-11]。但是目前大部分研究由于指標參數(shù)的主觀性、評價結果的不確定性，導致評價體系的可移植程度與普適性較差；且選取的遙感數(shù)據(jù)空間分辨率基本為30 m及以上，評價結果較粗糙。本文以莆田—炎陵高速公路(以下簡稱“莆炎高速”)YA12標段為研究對象，使用哨兵衛(wèi)星影像與Landsat-8數(shù)據(jù)，將區(qū)域遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing Based Ecological Index,RSEI)應用于山地高速公路建設的生態(tài)質(zhì)量影響效應分析，并探尋路域沿線高程與RSEI的內(nèi)在聯(lián)系。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

莆炎高速YA12標段路線長8.12 km，項目在2018年11月6日正式開工，工期計劃為24個月。該項目位于福建省三明市境內(nèi)，處于閩浙丘陵區(qū)，地勢波狀起伏。該區(qū)域氣候溫和，雨熱同季，沿線生態(tài)環(huán)境優(yōu)美，峰巒疊嶂。但是由于近年來社會發(fā)展與土地開發(fā)利用，區(qū)域內(nèi)生物多樣性銳減，因此，工程生命周期的生態(tài)維護顯得更為重要。在分析研究莆炎高速中仙—里心段YA12標段建設過程中帶來的具體生態(tài)問題、充分考慮研究區(qū)域復雜的地形地貌條件的基礎上，通過實地調(diào)查研究、結合高清衛(wèi)星像片與數(shù)字化處理，將路域生態(tài)環(huán)境影響邊界確定為公路周邊緩沖區(qū)1 000 m(如圖1)。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Overview of the research area

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取有10 m空間分辨率波段的哨兵2號(sentinel-2)衛(wèi)星影像計算地表參數(shù)，采用時相匹配的Landsat-8影像進行地表溫度反演。影像數(shù)據(jù)均從美國地質(zhì)調(diào)查局USGS網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov/)下載。根據(jù)莆炎高速中仙—里心段YA12標段的未建設期、建設前期、建設中期三個階段對應時相進行影像選擇，見表1。所獲取的Sentinel level-1C級影像提供的是大氣頂部的反射信號，需經(jīng)大氣校正得到提供地表反射率的level-2A級數(shù)據(jù)。歐空局專門為Sentinel系列衛(wèi)星提供進行大氣校正的插件Sen2Cor，處理過程包括場景分類和卷云與大氣糾正兩部分。此外，使用歐空局的Snap軟件進行Sentinel-2A/B數(shù)據(jù)的重采樣、鑲嵌、去云等處理，得到分辨率10 m的多光譜影像。Landsat-8數(shù)據(jù)的預處理在ENVI5.3環(huán)境下進行，包括輻射定標和大氣校正。

表1 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)Table 1 Satellite image data

本研究地形數(shù)據(jù)來自于使用無人機實測的路域等高線地形數(shù)據(jù)(dwg格式)，并于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)下載覆蓋研究區(qū)域的ASTER GDEM第一版本(V1)空間分辨率為30 m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品,對等高線未覆蓋區(qū)域進行補全。

1.3 研究方法

本研究選取新型區(qū)域遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)對高速公路建設的生態(tài)影響效應進行探究，其指標優(yōu)點包括可獲得性較高、權重自由、基本象元單位可視化，還可通過數(shù)學模型對生態(tài)質(zhì)量進行時空維度的分析預測[12-13]。RSEI方法已被廣泛應用于綜合治理、城市規(guī)劃、水土流失等生態(tài)質(zhì)量研究中[14-16]。

1.3.1參數(shù)反演

RSEI指數(shù)的評價指標分別是與人類生產(chǎn)生活及自然環(huán)境息息相關的綠度、濕度、干度及熱度指標。綠度指標通過地表植被生長狀態(tài)反映，植被對區(qū)域生態(tài)質(zhì)量狀況的變化極為敏感，常用來表示區(qū)域生態(tài)優(yōu)良情況；濕度指標由土壤濕度表示，其是度量土壤退化等生態(tài)環(huán)境研究的重要指示；干度指標代表原有自然系統(tǒng)因人類改造而被裸地與不透水取代的“干化”程度，說明了生態(tài)質(zhì)量的惡化情況；熱度指標由地表溫度代表，是反映地表生態(tài)質(zhì)量不可缺少的參數(shù)。各指標所選指數(shù)見表2，使用Sentinel-2影像進行綠度、濕度與干度指標計算，同期的Landsat-8影像進行熱度指標計算。

表2 各指標對應指數(shù)Table 2 Corresponding indexes of each index

1.3.2RSEI指數(shù)構建

對標準化后的各指標進行主成分分析，以主成分的方差貢獻率為權重，各年份研究區(qū)RSEI可以表示為：

RSEI2017=0.688 6PC1+0.161 8PC2+0.098 2PC3+
0.051 3PC4
=0.299NDVI+0.337Wet-0.194LST-
0.521NDSI

RSEI2018=0.657 0PC1+0.168 9PC2+0.106 2PC3+
0.067 9PC4
=0.285NDVI+0.337Wet-0.190LST-
0.495NDSI

RSEI2019=0.675 3PC1+0.188 7PC2+0.079 2PC3+
0.056 8PC4
=0.375NDVI+0.367Wet-0.203LST-
0.450NDSI

代表綠度的NDVI和代表濕度的Wet變量系數(shù)為正值，它們協(xié)同對生態(tài)起正面的貢獻;代表熱度和干度的LST、NDSI變量系數(shù)為負值，說明它們從負面作用于生態(tài)變化，可見RSEI指數(shù)對路域的生態(tài)質(zhì)量評價有其適用性，可用于進行下一步的分析。

1.3.3ESI指數(shù)

由于研究路域地形復雜，土地利用類型分布不均，因此無法簡單地用RSEI均值來描述路域某一時相的生態(tài)質(zhì)量。為了客觀描述和定量分析研究路域的生態(tài)質(zhì)量變化，采用RSEI等級面積加權的形式來計算各個時相的生態(tài)質(zhì)量[29]。公式如下：

式中：n為RSEI的等級數(shù);Ai為分析單位中等級i所占面積;Sj為分析單位j所占的面積;Pi為等級i的量化等級值。ESI數(shù)值越高，說明生態(tài)質(zhì)量改善越好。

2 結果分析

2.1 全路域生態(tài)質(zhì)量的時空變化分析

以0.2為間隔進行斷點，將RSEI按照數(shù)值由小到大劃分為差(1)、較差(2)、中等(3)、良(4)和優(yōu)(5)五個生態(tài)等級，如圖2。

圖2 各年份RSEI分級圖Fig.2 RSEI grading charts for each year

三個年份區(qū)域內(nèi)生態(tài)優(yōu)良的面積占比均達65%以上，而生態(tài)較差及以下的面積比例均低于20%，表明區(qū)域生態(tài)質(zhì)量本底較佳，整個研究區(qū)內(nèi)受到高速公路工程建設影響范圍較小。各年份生態(tài)質(zhì)量較差的部分集中分布于區(qū)域東西兩端與中間段，并向外逐漸依等級變高而擴散。原因主要有兩個：一方面自東向西分布著漈頭村、璞溪村與滄州村三個村莊居民點，人工建筑和居民活動的密集對這些區(qū)塊的生態(tài)質(zhì)量起負面作用；另一方面，高速線路出露于地表的橋梁和路基部分緊貼璞溪村平行延伸，工程建設產(chǎn)生的影響疊加于原來的居民擾動上，生態(tài)質(zhì)量差的部分雖逐年外擴，但未產(chǎn)生明顯的空間轉移。生態(tài)質(zhì)量優(yōu)良的區(qū)域分布于人類干擾活動少、地表硬化程度低的地塊；并且區(qū)域內(nèi)生態(tài)質(zhì)量本底較好的部分主要為植被覆蓋度多的高處，其工程建設類型主要為穿山而過的隧道，線路本體產(chǎn)生的地表生態(tài)擾動程度小。

2.1.1研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量時間變化分析

將2017和2019年的RSEI等級分布圖進行差值運算，以更好地分析路域的生態(tài)質(zhì)量變化。2017—2019年研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量優(yōu)化的區(qū)域占總面積的19.23%，生態(tài)質(zhì)量改善以增加一級為主；生態(tài)質(zhì)量惡化的區(qū)域面積占總面積的12.41%，以降低一級為主，如圖3。

圖3 研究區(qū)路域RSEI等級變化空間分布圖(2017—2019)Fig.3 Spatial distribution diagram of RSEI grade change in research road area

高速公路建設產(chǎn)生的生態(tài)質(zhì)量負面影響范圍較小，生態(tài)質(zhì)量下降區(qū)塊明顯集中于高速公路線路兩側：線路中段和東西端的紅色區(qū)域呈條帶延伸，其主要是由橋梁及路基工程與臨時占地建設帶來的地表硬化以及植被的損失所導致；而隧道建設段工程穿山而過，地表生態(tài)質(zhì)量受到線路本身建設的影響較小，主要的負面影響來自于隧道出口處設置的棄渣場和施工便道，以及拌合站等加工占地帶來的低植被覆蓋度、地表裸露區(qū)，其降低了生態(tài)質(zhì)量。

2.1.2研究區(qū)生態(tài)空間變化分析

為研究高速公路在建設、施工過程中對路域范圍生態(tài)質(zhì)量影響的空間變化特征，對路域生態(tài)質(zhì)量影響邊界范圍內(nèi)的高速公路ESI值進行統(tǒng)計分析。以100 m為間距，對高速公路中線兩側逐層建立緩沖區(qū)，得出1 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)ESI數(shù)值變化，如圖4。

圖4 各年份多級緩沖區(qū)ESI值Fig.4 Multilevel buffer ESI values for each year

2017年的曲線變化反映了研究區(qū)域的本地生態(tài)情況，由于工程未開工，影響區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的因素主要為村莊居民點人類活動的干擾，而居民點的布局并非完全與高速公路走向平行，ESI值隨道路中線距離呈現(xiàn)上下波動。從2018、2019年的ESI數(shù)值分布明顯可見，高速公路建設對路域生態(tài)質(zhì)量的影響程度隨緩沖區(qū)半徑的增大而減小，即距離公路核心區(qū)越遠，受其影響就越小。公路建設期兩個時相的ESI指數(shù)在300 m緩沖距離處均出現(xiàn)明顯拐點，在300 m緩沖距離內(nèi)，ESI增速隨緩沖距離增大而迅速上升，但超過300 m后增速明顯放緩，表明公路兩側300 m范圍內(nèi)生態(tài)質(zhì)量受到工程建設與人為影響最為顯著，為生態(tài)影響的核心區(qū)域。

2.2 地形對生態(tài)質(zhì)量的影響分析

在300 m影響核心區(qū)內(nèi)將路域高程以10 m間隔為間距逐層劃定分析緩沖區(qū)，通過建立分析緩沖區(qū)內(nèi)高程與RSEI均值的定量關系來考察二者之間的相互影響。高程均值與對應RSEI均值的關系如圖5。

圖5 各年份高程均值和RSEI均值關系圖Fig.5 Relation diagram of mean values of elevation and RSEI in each year

總體而言，高程變化對地表生態(tài)產(chǎn)生了梯度效應，各年份RSEI均值總體隨高度升高而增大。地勢低處，由于人類活動密集與施工布點的集中，人工構筑物替代了原本的自然地表，造成植被覆蓋少、土地裸露多、環(huán)境破壞明顯，生態(tài)受到影響程度大。從2019年的數(shù)據(jù)分布可看出，高程<300 m的區(qū)域RSEI均值比之前降低，可見工程建設帶來的影響隨著施工推進逐漸占主導地位，主要因為低處地勢平坦，為路基、橋梁工程以及各類臨時占地點的集中布局處，生態(tài)質(zhì)量受建設工程項目的影響較大；而>500 m的高度處一方面由于人類活動難以觸及，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，脆弱性降低，受到的破壞程度隨之減小，另一方面該工程主要采取挖山隧道的建設方式，其所造成的環(huán)境影響難以通過遙感數(shù)據(jù)探測，因此RSEI未有較大波動。

3 結論

本文基于Sentinel-2多光譜數(shù)據(jù)與Landsat-8 TIRS傳感器熱紅外遙感數(shù)據(jù)，通過構建RSEI來對以莆炎高速中仙—里心段YA12標段未建設期、建設前期與建設中期三個階段的路域生態(tài)質(zhì)量進行動態(tài)監(jiān)測分析，結果表明通過RSEI對路域的生態(tài)質(zhì)量進行快速評價具有一定的科學性和實用性。計算發(fā)現(xiàn)高速公路對生態(tài)質(zhì)量的影響隨著與公路垂直距離的增加而逐漸降低，公路兩側300 m范圍內(nèi)為生態(tài)質(zhì)量影響的核心區(qū)，尤其是路基與橋梁建設段、隧道口的堆土區(qū)、棄渣場及臨時占地等地表擾動區(qū)，應重點給予關注和保護。垂直方向上高程對生態(tài)質(zhì)量變化產(chǎn)生梯度效應，這與人類活動范圍及工程施工特性有關。較高空間分辨率數(shù)據(jù)的應用與遙感信息指數(shù)的提取可為通過空間分析技術進行路域生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測及生態(tài)環(huán)境影響評價提供技術參考。該評價方法指標參數(shù)和權重取值較為客觀，具有良好的可移植性，有助于道路建設方及時調(diào)整本項目建設后期不同路段的建設策略，以滿足生態(tài)質(zhì)量要求，也能對其他類似項目的建設提出可行性的意見和建議。然而，RSEI采用的指標沒有進一步針對公路工程的地表擾動特性完善指標體系，比如揚塵等大氣污染的影響，今后可嘗試在多指標的耦合方面深入研究。